基于離散元法的筑埂機旋耕切削性能研究

劉明勇，劉亞東，庫浩鋒，陳 龍，王 俊，謝柏林

(1. 湖北工業大學 農機工程研究設計院，武漢 430068；2.湖北省農業機械工程研究設計院，武漢 430068)

0 引言

水田筑埂機是一種由拖拉機驅動旋耕集土裝置組成和鎮壓成型裝置的耕耘機械，能一次完成筑埂成型，具有工作效率高組成、成本低、筑埂堅實等優點，被廣泛應用于水稻種植前的田埂修筑[1-7]。旋耕彎刀是筑埂機旋耕集土裝置的重要組成部分，旋耕彎刀切削土壤，使土壤顆粒充分破碎，為鎮壓成型裝置完成筑埂作業做好準備。旋耕彎刀與土壤的相互作用直接影響著筑埂機的筑埂質量、功率消耗和刀具磨損情況等，研究旋耕彎刀的旋耕切削性能，可為水田筑埂機械化發展提供參考。

近年來，國內外學者對旋耕切削部件的力學特性進行了大量研究。Miyabe 等[8]將旋耕刀分為彎刀和直刀兩個部分，分別對彎刀和直刀部分進行阻力分析。Asl等[9]建立了旋耕刀動態和靜態切土阻力模型，運用計算機與數值模擬方法對切土功耗進行分析。丁為民等[10]推導出了旋耕彎刀正切刃動態滑切角方程，并由此進一步得到了正、側切刃滑切角與動、靜態滑切角之間的內在關系。林昌華等[11]采用SPH算法對旋耕彎刀的切土過程進行仿真，對旋耕彎刀進行優化，有效減少了應力集中，延長了使用壽命。現有的旋耕切削部件主要是基于旋耕機而進行研究，對筑埂機上旋耕切削部件研究較少，僅有部分學者對筑埂機上旋耕切削部件進行力學分析。

本文采用離散元法建立旋耕彎刀與土壤接觸的工作模型，分析旋耕彎刀在不同結構參數和工作參數情況下的功耗問題，探究旋耕彎刀碎土效果的影響規律，以期得到旋耕彎刀理想的參數組合，為降低筑埂機整機功耗提供參考。

1 試驗因素分析

刀具工作扭矩是評價其旋耕作業性能的重要指標，扭矩越大筑埂機功耗越高。旋耕彎刀結構參數中，正切面端面刀高、側切刃包角、彎折角和工作幅寬是影響刀具旋耕切削性能的主要因素[12]。正切面端面刀高的改變可避免刀背對未耕土壤造成推擠；側切刃包角的改變會對側切刃的切土性能造成影響，從而影響整機功耗。在同一工作條件下，增大刀具幅寬，機具布置的刀片數量減少，單位幅寬扭矩降低，整機功耗隨之降低，而刀具彎折角的改變會影響其切土和拋土性能。對比不同結構參數的刀具扭矩時，選擇刀具單位幅寬扭矩作為評價指標，而對比同一刀具不同工作參數時選擇刀具所受扭矩為評價指標。

旋耕刀片按其結構形式分為3種，即彎刀、直角刀和鑿形刀。本文以IT245標準旋耕刀為研究對象，其實體圖及結構簡圖如圖1所示。其中：O為刀輥回轉中心；R0為側切刃起始半徑；R為刀輥回轉半徑；θ為側切刃包角；h為正切面端面刀高；β為正切面彎折角；b為刀具工作幅寬。刀具尺寸的不同，其使用性能也不盡相同，在符合農藝要求的前提下，刀具正切面端面刀高h為40～60mm，側切刃包角θ為22°～32°，彎折角β為120°～140°，刀具的工作幅寬b為40～60mm。

圖1 旋耕彎刀實體及結構簡圖

筑埂機工作時，旋耕彎刀切削土壤，機具在驅動力的作用下向前移動，刀片受到土壤的反作用力。旋耕彎刀的轉速越快，機具的工作效率越高，但刀具磨損嚴重，機具功率消耗也越大；工作深度越深，旋耕彎刀與土壤的接觸面積越大，切削阻力也相應增加；機具的前進速度越快，單位時間內刀片受到土壤的反作用力越大，機具的功率消耗也隨之改變。因此，旋耕彎刀轉速、工作深度和機具的前進速度可作為影響筑埂機功耗的重要試驗參數。參考南方地區水田種植前的土壤特性和筑埂機的工作要求，選擇旋耕切削的工作轉速為300～500r/min，機具的前進速度為0.3～0.5m/s，工作深度為100～120mm[13]。

2 試驗方案的確定

筑埂機筑埂作業發生在水田灌溉之前，工作時將田塊圍成方格，水稻種植前用水浸沒土壤，所筑田埂必須滿足農藝要求[14]。為保證試驗的準確性和可實行性，將結構參數和工作參數分為兩組進行討論。首先探討結構參數中的試驗因素對單位幅寬扭矩產生的影響，選出最優結構參數組合，再將其結合不同工作參數進行探討，分析不同工作參數對刀具扭矩產生的影響，從而得到旋耕彎刀最優參數組合。從節能和保護性耕作要求考慮，工作深度在100～120mm之間，在允許范圍內選擇其優化值，優選試驗值為100、110、120mm。優選筑埂機旋耕切削的工作轉速試驗值為300、400、500r/min，機具前進速度試驗值為0.3、0.4、0.5m/s。試驗用的刀具以IT245旋耕刀為基礎進行改裝，試驗刀片除結構參數不同外其它特性均相同。以旋耕彎刀正切面端面刀高、側切刃包角、正切刃彎折角和工作幅寬作為試驗因素進行第1組正交試驗。因為刀具幅寬不同，為了進行有效對比，以刀具單位幅寬扭矩作為評價指標。本研究采用正交試驗[15]，選用L9(34)正交表，試驗因素與水平如表1所示。刀具最優結構參數選出后，以工作參數為試驗因素，刀具所受扭矩為評價指標，采用正交試驗[15]，選用L9(34)正交表，試驗因素與水平如表2所示。

表1 結構參數試驗因素與水平

表2 工作參數試驗因素與水平

3 離散元模型建立

3.1 土壤模型建立及參數的確定

土壤特性與筑埂機筑埂質量密切相關，土壤顆粒間存在特殊粘結、破碎特性及復雜的力學關系。為保證仿真試驗的可靠性，本文主要參考南方地區水田黏性土壤特性(含水率15%～20%)。通過篩分法試驗，土壤顆粒半徑介于0.5～5mm之間。由于土壤顆粒結構復雜，根據其形狀特性將土壤顆粒簡化為球狀、團狀、桿狀及塊狀等不同形狀，如圖2所示。

圖2 土壤顆粒模型

本研究使用的顆粒接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding 模型[16]，它通過“粘結鍵”將顆粒粘接在一起。這種粘結方式可以承受一定的法向和切向運動，當運動使其達到最大的法向和切向應力時，顆粒間的這種特殊粘結遭到破壞；此后，顆粒將視作一種剛性球體進行接觸求解。顆粒在粘結形成之前，通過標準的Hertz-Mindlin 接觸模型進行接觸求解；粘結發生之后，顆粒間力與力矩的比值(F/T)將被設置為零，并在計算每個時間步長是對其比值進行更新。當法向和切向剪應力超過最大值時，粘結遭到破壞，則

(1)

由于土壤具有復雜的物理特性，選擇好接觸模型后，必須對土壤顆粒參數進行設置，本文主要以南方地區水田黏性土壤作為研究對象，通過參數標定、實驗測試及大量經驗公式得到如表3所示的土壤顆粒參數[17-19]。

表3 仿真試驗參數

3.2 旋耕彎刀工作過程的仿真分析

利用SolidWorks軟件對旋耕彎刀進行三維實體建模，將三維模型以.igs格式保存，導入到離散元軟件EDEM中。根據筑埂機旋耕切削部件須達到的使用要求，選擇刀片材料為65Mn,密度為7 850kg/m3，剪切模量為7.9×1010Pa，泊松比為0.3[13]。設置好仿真時步、時間和網格大小，旋耕彎刀的旋耕切削過程如圖3所示。

圖3 旋耕彎刀切削過程

圖3(a)中，旋耕彎刀與土壤顆粒未接觸，顆粒沒有受到擠壓。由圖3(b)、(c)可知：隨著旋耕彎刀的運動，刀片側切刃開始接觸土壤，由近及遠對土壤進行切割；隨著時間的推移，側切刃對土壤切割作用不斷增強并對土壤顆粒形成擠壓，土壤顆粒向刃口兩邊移動。由圖3(d)、(e)可知：隨著旋耕彎刀的轉動，刀片正切刃開始切割土壤；旋耕彎刀受到土壤的反作用力不斷增強，土壤顆粒被旋耕彎刀擠壓并向下和正切面內側移動，土壤被正切刃逐漸切開。由圖3(f)、(h)可知：旋耕彎刀正切面開始向后上方移動，土壤受到正切面的作用開始抬升；隨著刀片的轉動，被抬升的土壤在重力的作用下破碎降落，部分顆粒被拋到旋耕彎刀的后側方。

圖4為旋耕彎刀在一個工作周期內的受力變化圖。由圖4可知：旋耕彎刀從4.47s開始接觸土壤一直到4.62s時，總阻力和水平方向阻力變化曲線相似，在這一過程中主要由旋耕彎刀側切刃切割土壤；旋耕彎刀受到的總阻力和水平方向阻力在4.56s時同時達到最大值，最大值分別為441.75、399.9N；旋耕彎刀垂直方向阻力在4.64s時達到最大，最大值為286.8N；從4.64s開始一直到工作結束，總阻力與垂直方向阻力變化曲線相似，在這一過程中主要由旋耕彎刀正切面工作，切削和抬升土壤；側向力方向與刀片受力方向相反，最大值為103.4N。旋耕彎刀受力變化與圖3描述的旋耕刀切削過程基本一致。

圖4 旋耕彎刀受力變化圖

4 結果分析

第1組正交試驗以刀具單位幅寬所受到的扭矩為試驗指標，試驗方案及結果如表4所示。由表4中極差(R)可知：試驗因素影響旋耕彎刀單位幅寬扭矩的主次順序為：彎折角C、幅寬D、正切面端面刀高A、側切刃包角B。其中，彎折角、幅寬、正切面端面刀高對單位幅寬扭矩影響最為明顯。試驗結果表明，影響刀片單位幅寬扭矩的最優組合為A1B2C1D3。第2組正交試驗以刀旋耕彎刀受到的扭矩為試驗指標，試驗方案及結果如表5所示。由表5中極差(R)可知：試驗因素影響旋耕彎刀扭矩的主次順序為：工作深度G、工作轉速 E、前進速度F。試驗結果表明：影響刀片扭矩的最優組合為E1F1G1。

表4 單刀結構參數正交試驗方案及結果

表5 單刀工作參數正交試驗方案及結果

Table 5 Orthogonal test scheme and result of single tool operation parameters

試驗序號工作轉速E/r·min-1前進速度F/m·s-1工作深度G/mm扭矩M/N·m111162.52212276.41313382.42421282.0752 23104.98623177.24731382.78832177.399332 91.27K173.7875.7972.38K288.1086.2678.62K383.8183.6490.06 R14.3210.4717.68主次順序G>E>F優水平E1、F1、G1優組合E1F1G1

4.1 彎折角大小對土壤破碎情況的影響

在正交試驗的最優工作參數下，即工作轉速300r/min、前進速度0.3m/s、工作深度100mm，以及最優結構參數為正切面端面刀高40mm、側切刃包角27°、幅寬60mm條件下，得到旋耕彎刀不同彎折角與刀片扭矩和破碎顆粒的關系，如圖5所示。

圖5 刀片扭矩和破碎顆粒數隨彎折角大小的變化情況

由圖5可以看出：隨著彎折角的增大，土壤破碎顆粒呈現逐漸減小的趨勢，而刀片所受扭矩逐漸則增大。刀片彎折角為120°時，土壤破碎顆粒最大，土壤破碎率比140°時提高了6%，刀片受到的扭矩最小，最小為62.52N·m。這是由于彎折角增大，導致刀片正切面與側切面之間的切土體積增大，單位體積的切削顆粒數減小。此時，刀片在切削過程中易形成較大塊的土壤，不利于刀片切削充分，且切削功耗升高。因此，刀片彎折角最優值為120°。

4.2 幅寬大小對土壤破碎情況的影響

在工作轉速300r/min、前進速度0.3m/s，工作深度100mm、正切面端面刀高40mm、側切刃包角27°及彎折角120°的條件下，得到如圖6所示的不同幅寬與刀片扭矩和破碎顆粒的關系。

圖6 刀片扭矩和破碎顆粒數隨幅寬大小的變化情況

由圖6可以看出：隨著幅寬的增大，土壤破碎顆粒和刀片所受扭矩都呈現先增大后減小的趨勢，兩者都在50mm時達到最大。此時，土壤破碎顆粒最大，破碎效果最好；但刀片所受扭矩也最大，切削功耗最高。當幅寬為60mm時，刀片所受扭矩最小，最小值為62.52N·m，而破碎顆粒與幅寬為50mm時相差不大。從能耗的角度考慮，刀片幅寬最優值為60mm。

4.3 正切面端面刀高大小對土壤破碎情況的影響

在工作轉速300r/min、前進速度0.3m/s、工作深度100mm、側切刃包角27°，彎折角120°、幅寬60mm的條件下，得到如圖7所示的不同正切面端面刀高與刀片扭矩和破碎顆粒的關系。

由圖7可以看出：隨著正切面端面刀高的增大，土壤破碎顆粒逐漸增大，刀片所受扭矩呈現先增大后減小的趨勢，并在50mm時達到最大，此時刀片的切削功耗也最大；正切面端面刀高為40mm時，刀片所受扭矩最小，最小值為62.52N·m，但正切面端面刀高為60mm的土壤破碎率比40mm提高了7.3%，刀片所受扭矩為65.07N·m，而刀片所受扭矩與40mm時相差不大。因此，正切面端面刀高最優值為60mm。

圖7 刀片扭矩和破碎顆粒數隨正切面端面刀高大小的變化情況

5 結論

1)利用離散元方法對筑埂機旋耕切削性能進行研究，采用離散元法構建旋耕彎刀—土壤作用模型，同時對旋耕彎刀工作時復雜的受力情況進行分析。將IT245旋耕刀進行改裝，分別以旋耕彎刀結構參數和工作參數為試驗因素，單位幅寬扭矩和扭矩為試驗指標，進行兩組正交試驗。

2)利用離散元EDEM軟件進行正交試驗，結果表明：第1組正交試驗中，影響旋耕彎刀單位幅寬扭矩的主次順序為彎折角C、幅寬D、正切面端面刀高A、側切刃包角B；第2組正交試驗中，影響旋耕彎刀扭矩的主次順序為工作深度G、工作轉速 E、前進速度F。通過極差分析，得到影響旋耕彎刀功耗的3種主要工作參數，并探究其對旋耕彎刀碎土效果的影響規律。綜合分析得到旋耕彎刀最優參數組合為：正切面端面刀高60mm，側切刃包角27°，彎折角120°，幅寬60mm，工作轉速300r/min，前進速度0.3m/s，工作深度100mm。